CN1080578A - 齿轮精滚刀 - Google Patents

Abstract

一种在滚刀齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚 刀，刀具切削部分为一段既不开容屑槽也不铲背的蜗 杆。工作侧具有连续的圆柱螺旋线刀刃，无构形误 差，刀刃连续切削无冲击，刀具构形简单，制造、测量、 重磨、使用简单方便，具备合理后角，刀具蜗杆可按加 大直径或变齿厚结构设计，具备极高的重磨次数，具 有加工精度高、刀具寿命长、成本低、工艺简单、使用 方便、通用性广等一系列重要优点。

Description

本发明属于渐开线齿轮精加工刀具领域。

齿轮滚刀由于加工齿轮范围广、通用性强、切齿齿距精度高、切齿效率也较高，成为当今应用最为广泛的齿轮刀具，但滚刀受构形、铲齿工艺、重磨等限制，存在下列诸多问题，这些问题对高精度滚刀影响尤为严重。

1、采用代用蜗杆近似构形，存在构形误差;

2、由基本蜗杆开容屑槽形成前刀面，刀刃不连续，包络齿形为折线且切削时产生冲击;

3、侧刃后角小，耐用度降低;

4、重磨后误差变化，重磨次数受限，刀具寿命降低;

5、精度检测项目要求多且严格，制造、测量、重磨困难，成本提高。

本发明的任务是提供一种全面解决上述问题的具有连续螺旋刀刃的齿轮精滚刀，满足在滚齿机上精加工渐开线齿轮的需要。

本发明上述任务可通过以下技术方案完成：在滚齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚刀，其特殊之处是刀具切削部分由一段蜗杆构成（见附图1），蜗杆的齿顶面A是刀具的前刀面，蜗杆的工作侧面B是刀具的后刀面;刀具的刀刃是由多种形式的前刀面和后刀面截交构成的连续圆柱螺旋线，并采用合理后角α;蜗杆工作侧法向齿距Pn等于加工齿轮法向基节，蜗杆非工作侧面C采用齿背角等于2α_c的法向直纹螺旋面，其法向齿距P_c≥P_n;刀具直径D＝2R，加大半径设计时R′＝R+△，0≤△＜△max，△max为加工齿轮齿根沉割宽度，保持刀具安装角ψ等于刀刃螺旋线螺旋升角λ;重磨后刀面或前、后刀面交替重磨或重磨后刀面兼磨修蜗杆螺纹一端F面对刀刃递补。

上述的后刀面可以采用内凹后角为α的螺旋面，当前刀面选用圆柱面时，前、后刀面截交形成的螺旋线与后刀面选用的螺旋面母线无关，当前刀面选用螺旋面时，其螺旋导程与后力面螺旋导程相等。

上述的后角α可取8°～15°，模数大时取大值，后刀面可制成多重后角结构。

当前刀面采用形成正前角的螺旋面时，刀具需采用加大半径R′。

上述的非工作侧C的齿背角2α_c，计算公式为：α_c＝β+μ+η，β是齿轮加工侧齿形上有效工作部分起点M的渐开线展开角，μ是基圆上对应齿槽角，η是非加工侧齿形上C点渐开角，C点是过啮合节点的基圆切线与齿轮非加工侧齿形的交点（见附图10）。

蜗杆非工作侧法向齿距Pc≥Pn，当Pc＝Pn时，为等齿厚蜗杆，重磨后刀面，当Pc＞Pn时，为变齿厚蜗杆，重磨后刀面后，可修磨蜗杆螺纹一端F面使刀刃向前递补。采用加大半径设计时，前、后刀面可交替重磨。

非工作侧法向齿距Pc＝r_b（tgα_s-tgα_c），式中r_b为齿轮基圆半径，α_s＝β+τ+μ+η′，其中τ是齿数为Z的加工齿轮每齿所占中心角，η′是相隔齿槽非加工侧齿形上S点渐开角，S点是过啮合节点的基圆切线与相隔齿槽非加工侧齿形的交点（见附图11）。

本发明的另一特点是：工作运动与普通滚齿完全一致，其安装则如附图2及附图3示，安装参数有中心距A、偏距B及刀具安装角ψ;通过安装角ψ调整，可降低刀具蜗杆制造精度要求或消除加工齿轮误差;精滚刀以工作侧连续螺旋线刀刃单侧精加工齿轮齿面。

结合附图详述本发明的上述内容：

图1是精滚刀主要结构参数图，其中N-N为法向齿形剖面;

图2是精滚刀安装图;

图3是精滚刀构成原理图，a）图为正视图;b）图为俯视图;

图4是0°齿形角齿条刀加工原理图;

图5是加工齿轮齿面切削轨迹图;

图6是加工余量分布图;

图7是蜗杆法向齿形图，a）图是零前角齿形，b）图是正前角齿形，c）图是多重后角齿形;

图8是加大半径设计精滚刀构成原理图，a）图是正视图，b）图是俯视图;

图9是计算蜗杆螺纹最小长度尺寸几何关系图;

图10是计算蜗杆牙齿齿顶宽度及非工作侧齿背角几何关系图;

图11是计算变齿厚蜗杆非工作侧螺旋参数几何关系图。

首先需要具体说明的是精滚刀怎样精切齿面。以单头蜗杆精滚刀加工直齿轮为例，如附图4示，以假想的0°齿形角齿条刀加工齿轮时，齿轮以基圆与齿条节线PQ保持纯滚切，齿条齿距MM₁＝πm_nCOSα_n（齿轮法向基节，m_n-齿轮法向模数，α_n-齿数法向分圆压力角），按图示运动方向齿轮匀速旋转时，齿条齿顶M、M₁点在沿PQ向左匀速移动过程中，将对齿轮右侧渐开线齿形自齿顶至齿根进行精加工，此时齿条齿顶为刀具前刀面，齿条齿侧为刀具后刀面。如图3a）示：以半径为R，导程ρ ＝ (πm_nCOSα_n)/(COSλ) 的圆柱螺旋线为刀刃的精滚刀，按ψ＝λ在滚齿机刀架上倾斜安装时，法向齿距P_n＝πm_nCOSα_n，其俯视图b）中，刀刃螺旋线投影为变态摆线，在M、M₁点处变态摆线的切线与精滚刀轴线投影相垂直，与附图4中假想0°齿形角齿条刀齿侧一致。当精滚刀匀速旋转时，M、M₁点同样沿PQ线匀速移动，保持加工中心距A＝R+r_b，精滚刀刀刃同样自齿顶至齿根精切齿轮齿面，不过由于M、M₁点高度不同，切削轨迹则如附图5示，自齿顶至齿根向上倾斜。显然本发明精滚刀本身不存在构形误差。

为提高切齿效率，蜗杆可采用多头，头数为i时，导程中P ＝ (iπm_nCOSα_n)/(COSλ) 。

加工斜齿轮时，ψ＝λ±β_b（β_b-齿轮基圆螺旋角，“-”号用于刀具，齿轮旋向相同，“+”号用于旋向相异）。

为实现断屑，齿侧余量分布可采用附图6示齿根具有沉割的方式，沉割部分宽度为△max，可起到“空刀”作用。

另外需要具体说明的是：前、后刀面可选择多种形式截交构成螺旋线刀刃，当前刀面选用圆柱面时，刀刃螺旋线的形成与后刀面选用的螺旋面母线形状无关，当前刀面也选用螺旋面时，只需前、后刀面螺旋导程相等即可。这表明前、后刀面可按多种表面构成并容易构成合理几何角度，也同时说明制造精滚刀时，对前、后刀面齿形精度不必严格要求。选择制造，测量最方便的表面构成精滚刀如附图7示：

附图7a）示：前刀面为圆柱面，后刀面为内凹α角（后角）的法向直纹螺旋面;附图7b）示：前刀面为具有γ角（前角）的法向直纹螺旋面，后刀面为内凹α角的法向直纹螺旋面。

后角α可采用8°～15°，满足精加工后角合理值要求，后刀面允许采用附图7c）示，磨有移边b，或多重后角以减少重磨面积。

非工作侧齿面也以选择法向直纹螺旋面最为简单。

另外还需要具体说明的是：采取加大半径或变出厚结构设计以增加重磨次数，精滚刀设计为等齿厚蜗杆时，当重磨后刀面后，蜗杆齿顶宽度b（见附图1）将变窄，影响强度、寿命。

附图8示加大半径设计，将精滚刀半径加大至R′＝R+△（△允许最大值应小于齿轮齿根沉割宽度△max），保持ψ＝λ，在俯视图b）中，刀刃螺旋线投影为变态长幅摆线，在半径为R的切削点M、M₁处仍保持ガ假想齿形角为0°，MM₁＝Pn不变，仍能正确切削出面。此时由于R′增大，刀具螺旋线刀刃螺旋升角减小为λ′，tgλ’ = (m_nCOSα_n)/(2R′COSλ) 。采用加大半径设计后，重磨前刀面时，由于α＜2α_c（非工作侧齿背角，对加工标准齿轮，2α_C在30°左右），b将变宽，交替重磨前、后刀面可大大提高重磨次数。另外需补充说明的是，前述附图7b）示前刀面为具有前角r＞0的螺旋面时，必须采取加大半径设计，以避免因重磨后刀面后，直径变小不能满足加工要求。

如附图1示：蜗杆法剖面N-N中，使非工作侧齿距P_c大于工作侧齿距P_n，蜗杆成为变齿厚蜗杆。重磨后刀面b值减小后，可修磨F面使b恢复尺寸，实现刀刃逐渐向前递补，从而大大提高重磨次数，此时要求蜗杆螺纹圈数适当增加。

最后需要具体说明的是，根据加大半径设计结构原理，当精滚刀刀刃螺旋线导程P存在制造误差△P时，将导至加工齿轮基节误差，可调整ψ予以消除。消除误差公式为△φ = arcCOS ( (P_n)/(P + △P) ) - φ，这说明制造精滚刀后刀面时，螺旋导程精度要求也可放宽。

本发明精滚刀主要参数（见附图1）选择及计算公式归纳：

一、螺旋参数：

1、头数：加工高精度齿轮采用单头以避免齿距误差，当加工齿轮精度允许，为提高切齿效率也可采用多头;

2、旋向：要求与加工齿轮一致，加工直齿轮时采用右旋。

3、螺旋升角λ：sinλ = (m_nCOSα_n)/(2R)

4、半径R_s在强度、刚度、结构允许条件下选小值，以节约刀具材料、缩短进给行程长度、降低切削速度提高耐用度。

5、导程P：P = (iπm_nCOSα_n)/(COSφ)

6、蜗杆螺纹最小轴向尺寸L₁

如附图9，L1 = (r_btgα_a- ρ_min)/(COSφ)

式中ρ_min（PM）-加工齿轮齿形有效工作部分起始M点渐开线曲率半径， ${\rho }_{\mathrm{m\; i\; n}}\mathrm{=\; A\; \text{'}\; sin\alpha \; \text{'}\; -}\sqrt{r{}^2{}_{\mathrm{a\; 1}}\mathrm{-\; r}{}^2{}_{\mathrm{b\; 1}}}$ （其中A′是加工齿轮与配对齿轮中心距，α′是加工齿轮与配对齿轮啮合角，r_aj是配对齿轮齿顶圆半径，r_bi是配对齿轮基圆半径）。

对于变齿厚蜗杆设计，L₁部分应加长。

二、法向齿形、切削角度

1、蜗杆齿全面H：H＝h

式中    h-齿轮齿全角

2、后角α：选取8°～15°模数大时取大值。

3、非工作侧齿背角2α_c：

如附图10，C点是过啮合节点的基圆切线与齿轮非加工侧齿形的交点，

α_c＝β+μ+η

式中β = (ρmin)/(r_b) ，μ = (π)/(Z) - (4Xtgα_n)/(Z) - 2invα_n（X为变位系数）

η＝invα_c

4、蜗杆齿顶宽b：

如附图10示，b＝MC＝r_btgα_c-ρ_min-δ

式中δ-包括间隙及齿轮非加工侧精加工余量。

5、变齿厚蜗杆非工作侧法向齿距P_c：

如附图11示，P_c＝PS-PC＝r_b（tgα_s-tgα_c）

式中α_s＝β+τ+μ+η′（其中τ＝ (2π)/(Z) ，η′＝invα_s）

三、其它主要结构参数（见附图1）：

孔径d、检验轴台直径D₁、轴台宽度L及键槽尺寸等参考滚刀标准。

四、安装参数：

1、中心距A：A＝R+r_b

2、偏距B：B＝ρ_min

3、安装角ψ：ψ＝λ β_b

本发明的主要优点如下：

1、高精度：刀具设计无构形误差;刀刃连续切削共轭形成齿形，无折线包络现象;刀具构形简单，易保证制造精度且某些误差可以消除;在滚齿机上工作，有强制传动展成链;可获得加工齿形，齿距高精度。

2、切削条件好：为大刃倾角斜角切削;刀刃连续工作无冲击;后刀面设计具有合理后角;提高刀具耐用度。

3、高寿命：采用加大半径、变齿厚蜗杆结构设计，允许重磨次数多，保证高寿命。

4、低成本：刀具制造、测量、重磨简单，重磨表面合理，刀具材料消耗少（直径、宽度均小于加工相同模数普通滚刀）。

5、使用方便：工作于当前品种、规格、拥有量最多的滚齿机上，重磨方便，对刀简便。

6、通用性强：可加工直齿、斜齿、软齿或采用超高速钢、硬质合金刀具材料加工中硬齿面，硬齿面齿轮。

7、经济效益高：以上特点适用于多种行业，广大厂家采用（如汽车、拖拉机、重型、机车、船舰、通用机械……），具有广泛应用前景，经济效益显著。

本发明精滚刀虽然只能单侧精加工，这对于不需反转传动的齿轮付可以满足需要，要求双侧精加工的齿数，将齿轮翻转即可加工另侧齿面。

Claims (7)

1、在滚齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚刀，其特征是刀具切削部分由一段蜗杆构成，蜗杆的齿顶面A是刀具的前刀面，蜗杆的工作侧面B是刀具的后刀面；刀具的刀刃是由多种形式的前刀面和后刀面截交构成的连续圆柱螺旋线，并采用合理后角α；蜗杆工作侧法向齿距P_n等于加工齿轮法向基节，蜗杆非工作侧面C采用齿背角等于2α_c的法向直纹螺旋面，其法向齿距P_c≥P_n；刀具直径为D=2R，加大半径设计时，R′=R+Δ，0≤Δ＜Δmax，Δmax为加工齿轮齿根沉割宽度；保持安装角ψ等于刀刃螺旋升角λ，重磨后刀面或前、后刀面交替重磨或重磨后刀面兼修磨蜗杆螺纹一端F面对刀刃递补。

2、根据权利要求1所述的在滚齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚刀，其特征是所说的后刀面采用内凹后角为α的螺旋面，当前刀面选用圆柱面时，前、后刀面截交形成的螺旋线与后刀面选用的螺旋面母线无关，当前刀面选用螺选面时，其螺旋导程与后刀面螺旋导程相等。

3、根据权利要求1所述的在滚齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚刀，其特征是所说的后角α取8°～15°，模数大时取大值，后刀面可制成多重后角结构。

4、根据权利要求1所述的在滚齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚刀，其特征是当前刀面采用形成正前角的螺旋面时，刀具需采用加大半径R′。

5、根据权利要求1所述的在滚齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚刀，其特征是所说的非工作面C的齿背角2α_c计算公式为：α_c＝β+μ+η，β是加工侧齿形上有效工作部分起点的渐开线展开角，μ是基圆上对应齿槽角，η是非加工侧齿形上C点渐开角。

6、根据权利要求1所述的在滚齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚刀，其特征是蜗杆非工作侧法向齿距P_c≥P_n，当P_c＝P_n时，为等齿厚蜗杆，重磨后刀面，当P_c＞P_n时，为变齿厚蜗杆，重磨后刀面后，修磨蜗杆螺纹一端F面，使刀刃向前递补。

7、根据权利要求1或6所述的在滚齿机上精加工渐开线齿轮用的精滚刀，其特征是非工作侧法向齿距。P_c＝r_b（tgα_s-tgα_c），式中r_b为齿轮基圆半径，α_s＝β+τ+μ+η′，其中τ是齿数为Z的加工齿轮每齿所占中心角，η′是相隔齿槽非加工侧齿形上S点渐开角。

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